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Pero, ¿cuántos tiempos hay?

15 d’ag. 2018, 3:29 publicada per Diego Rodríguez   [ actualitzat el 22 d’ag. 2018, 0:57 ]
Averiguar qué hora es no tiene complicación en la vida cotidiana. Miras un reloj y asumes que el reloj de todos los demás en tu zona horaria tiene la misma lectura. Y es así. Para los astrónomos, sin embargo, el tiempo en el cielo puede ser bastante más complejo. La razón es que nuestras unidades de medida del tiempo —el día, y sus subdivisiones de hora, minuto y segundo— se basan en fenómenos astronómicos. Fenómenos que a su vez son bastante complejos.

La mayoría de estas complicaciones se han eliminado de nuestro sistema de tiempo civil cotidiano mediante leyes. El resultado es un sistema de medida de tiempos simple y fácil de usar que sirve bien a la sociedad, siempre y cuando nadie mire demasiado al cielo... Si este es el caso, será mejor recordar un breve resumen de los sistemas de tiempo que todo aficionado bien informado debe conocer.


Tiempo sidéreo local (LST)

Es simplemente la ascensión recta de las estrellas en su meridiano local en cualquier momento. El tiempo sideral es aproximadamente 4 minutos al día más rápido que todos los sistemas de tiempo descritos anteriormente.

Un viejo truco para que un reloj normal dé el tiempo sidéreo local es ajustarlo para que funcione 4 minutos al día más rápidamente, y así poder calcular qué constelaciones hay en el meridiano y qué cartas estelares usar. 

Por ejemplo, si el reloj marca las 5:30., en el meridiano tendremos Ascensión recta 5h 30m, y allí encontraremos a Orión.

Tiempo aparente local (LAT)

También llamado tiempo solar aparente o tiempo de reloj solar, es lo que se usaba cuando era el Sol quien señalaba la hora. El mediodía era lo que la mayoría de la gente todavía piensa que es mediodía: cuando el Sol cruza el meridiano, cuando el Sol está hacia el sur (para personas en latitudes del norte), en su punto más alto del día, y a medio camino entre el amanecer y el atardecer. La propia palabra meridiano proviene del latín que significa «mediodía».

Pero cuando se inventaron relojes razonablemente precisos, los cronometradores más cuidadosos notaron que algo andaba mal con el tiempo solar. Dependiendo de la temporada, unas veces el Sol se adelanta hasta 16 minutos en sus viajes diarios por el cielo, y otras se retrasa hasta 14 minutos, todo esto debido a la inclinación del eje de rotación y a la elipticidad de la órbita de la Tierra alrededor del Sol.

Para solventar este problema, se inventó un nuevo sistema de tiempo:

Tiempo medio local (LMT)

Los astrónomos imaginaron un Sol ficticio viajando a lo largo del ecuador celeste, por el mismo camino que el Sol real pero a una velocidad uniforme, con la media de la ascensión recta del Sol real, y cruzando el meridiano cada 24 horas. El tiempo que el Sol real se rezaga o se adelanta al Sol promedio se denomina ecuación de tiempo. Su valor para cualquier fecha se puede buscar en un almanaque.

Pero este ajuste no fue suficiente. Un problema aún peor es el hecho de que la Tierra es redonda.

Tiempo estándar

Como vivimos sobre una esfera, lo que uno ve en el cielo sobre su cabeza difiere de lo que pueda ver otra persona un poco más lejos. Cuando el Sol u otro astro cruce el meridiano para nosotros, aún no lo hará para alguien situado al oeste, mientras que ya lo habrá cruzado para alguien situado hacia el este.

A 40° de latitud (norte o sur), la diferencia es de un minuto por cada 21 kilómetros al este o al oeste. Es decir, en Barcelona el mediodía llega un minuto más tarde que en Mataró. Esta es la razón por la cual el Tiempo Medio Local... es local. Depende de tu ubicación.

Esto no importaba demasiado cuando los viajes eran lentos, pero se convirtió en un verdadero problema con la llegada de telégrafos y ferrocarriles en el siglo XIX. Porque, ¿cómo se puede tomar un tren cuando cada ciudad y cada compañía de ferrocarriles tienen un horario diferente?

Para solucionar este problema, en 1883 el territorio de los Estados Unidos se dividió en husos o zonas horarias estándar, y pronto les siguió el resto del mundo. En cada zona, todos los relojes están configurados en el tiempo medio local de su longitud estándar. La hora estándar fue un gran avance para la sociedad. Pero no para los astrónomos. Los planisferios funcionan en Tiempo medio local (LMT). Lo mismo ocurre con todos los mapas del cielo que muestran horizontes, y cualquier otro mapa, dispositivo o cálculo que muestre objetos astronómicos con respecto a su horizonte, cenit o meridiano sin tener en cuenta su longitud local explícitamente.

Afortunadamente, corregir LMT es simple. Por cada 1° al oeste de la longitud estándar de la zona horaria, se agregan 4 minutos a LMT para obtener el tiempo estándar. Por cada 1 ° al este, se restan 4 minutos.

Para asegurarse de no hacerlo al revés, se usa la fórmula:

Tiempo estándar = LMT + Corrección

donde la corrección es positiva al oeste del meridiano de la zona horaria, y negativo al este. En Mataró, a 2,45º longitud Este, la corrección será de -9,8 minutos. Es decir, el retraso en el paso de un astro por el meridiano de Castellón de la Plana es de casi diez minutos respecto a Mataró, y de más de 13 minutos respecto a Cap de Creus, el punto más oriental de la España peninsular.

Ah, para obtener el horario de verano, solo hay que añadir una hora completa a la hora estándar.

Tiempo universal (UT)

La hora estándar (y su variante de horario de verano) funciona bien dentro de una zona horaria determinada. Pero cuando se aplica un tiempo en todo el mundo, como en un almanaque astronómico, ¿qué zona horaria debería ser favorecida?

Aunque Francia se resistió a abandonar París como origen de longitudes hasta bien entrado el siglo XX, y España misma no la adoptó hasta 1901, la longitud 0º que se acordó en 1884 se definió como la de una línea grabada en una placa de bronce en el suelo debajo de un telescopio para cronometrar tránsitos en el Old Royal Observatory en Greenwich, Inglaterra. Por eso, UT a menudo se llama Greenwich Mean Time (GMT).

Sin embargo, los turistas que visitan el observatorio se sorprenden al comprobar que sus dispositivos móviles de navegación les indican que el meridiano 0 se encuentra en realidad 102 metros al este. El motivo es que el meridiano local se determinó originalmente usando un nivel de mercurio distorsionado por irregularidades en el campo gravitatorio local que solo se evidenciaron al entrar en servicio los modernos sistemas de posicionamiento global por satélite, inmunes a estos efectos.

De la isla de Hierro a Greenwich

En 1767 los españoles no usaban Greenwich como primer meridiano... Claro que no... Primero fue el de la isla de Hierro, pero luego cada país terminó usando el suyo. No se unificó en torno a Greenwich hasta 1884. Por eso la carta de Urrutia, impresa en 1751, trae cuatro escalas de longitud diferentes: París, Tenerife, Cádiz y Cartagena.

La carta esférica
Arturo Pérez Reverte


UT establece un sistema de 24 horas en el que al mediodía se le llama 12:00 y a medianoche, 0:00.

Con los años, se añadieron otras versiones de UT, siempre ligadas al angulo de rotación de la tierra:

UT0 es el Tiempo Universal determinado en un observatorio al observar el movimiento diurno de las estrellas o las fuentes de radio extragalácticas, y también a partir de observaciones de la Luna y los satélites artificiales de la Tierra. Se considera que la ubicación del observatorio tiene coordenadas fijas en un marco de referencia terrestre (como el Marco de Referencia Terrestre Internacional), pero la posición del eje de rotación de la Tierra deambula por la superficie de la Tierra; esto se conoce como movimiento polar. UT0 no contiene ninguna corrección para el movimiento polar. La diferencia entre UT0 y UT1 es del orden de algunas decenas de milisegundos. La designación UT0 ya no es de uso común.

UT1 es la forma principal de tiempo universal. Aunque conceptualmente es el tiempo solar medio a 0° de longitud, es muy difícil hacer mediciones precisas del Sol. Por lo tanto, se calcula a partir de observaciones de cuásares distantes utilizando interferometría de línea base larga, rango de láser de la Luna y satélites artificiales, así como la determinación de las órbitas de los satélites GPS. UT1 es el mismo en todas partes de la Tierra, y es proporcional al ángulo de rotación de la Tierra con respecto a quásares distantes, específicamente, el Marco de Referencia Celestial Internacional (ICRF), descuidando algunos pequeños ajustes. Las observaciones permiten la determinación de una medida del ángulo de la Tierra con respecto al ICRF, llamado Ángulo de Rotación de la Tierra (ERA, que sirve como un reemplazo moderno para el Tiempo Sideral del Medio de Greenwich). UT1 debe seguir la relación

ERA = 2π (0,7790572732640 + 1,00273781191135448Tu) radianes

donde Tu = (Julian UT1 date - 2451545,0)

UT1R es una versión suavizada de UT1, filtrando las variaciones periódicas debido a las mareas. Incluye 62 términos de suavizado, con períodos que van desde 5,6 días hasta 18,6 años.

UT2 es una versión suavizada de UT1, filtrando las variaciones estacionales periódicas. Es principalmente de interés histórico y rara vez se usa. Está definido por:


donde t es el tiempo como fracción del año besseliano. 


Tiempo de Efemérides (ET), Tiempo dinámico (TDT), Tiempo terrestre (TT)

Una vez acordado un sistema mundial de zonas horarias, con UT encabezando orgullosamente la lista, todo debería haber quedado resuelto para siempre. Pero no iba a ser así. Los astrónomos que trabajaban en la dinámica del sistema solar notaron algo muy perturbador: La longitud del día varía.
Hoy en día, la difusión de UTC es global. Se pueden encontrar relojes baratos sincronizados por radio con UTC, como este que usa el sistema DCF77 transmitido para Europa por el Instituto de metrología alemán.

La rotación de la Tierra se ralentiza y se acelera en pequeñas cantidades de manera impredecible. En primer lugar, se experimenta una tendencia a la desaceleración leve pero a muy largo plazo, secular, causada por la fricción de las mareas provocadas por la Luna y el Sol. También hay que considerar los movimientos de material en el interior fluido de la Tierra que provocan cambios lentos e irregulares en la duración del día. Incluso los vientos y los desplazamientos de masas de aire y nieve y otros factores causan variaciones a corto plazo.

Ante este problema, los astrónomos en 1952 instituyeron el Tiempo de Efemérides (ET), que en 1984 fue reemplazado por el Tiempo Dinámico Terrestre (TDT) muy similar, que en 1991 pasó a llamarse Tiempo Terrestre (TT). Este sistema de tiempo funciona a la perfección sin importar la rotación de la Tierra, casi como si la Tierra no existiera, usando inicialmente sistemas como la longitud solar y luego relojes atómicos. Se usa para la mayoría de los cálculos celestiales y predicciones de almanaque (efemérides), especialmente los que tienen que ver con los movimientos de la Luna, los planetas y otros cuerpos del sistema solar en el espacio. TT coincidió con UT alrededor de 1902. Desde entonces, UT se ha alejado gradualmente de él, por lo que a partir de 2009, UT se queda atrás en unos 66 segundos.

Si encuentras un tiempo dado en TT o «Tiempo dinámico», y la precisión de un minuto te importa, necesitas saber la diferencia de UT. Los almanaques enumeran esta diferencia, que se conoce como Delta T. Usa la fórmula UT = TT - Delta T. Es imposible pronosticar Delta T con precisión porque la tasa de rotación intermitente de la Tierra es demasiado impredecible, pero existen múltiples aproximaciones para el cálculo de efemérides en grandes espacios de tiempo en el pasado y el futuro. El programa gratuito Stellarium, por ejemplo, permite escoger entre una decena de ellos.

Y no fue este el final de la historia. Problemas más sutiles siguieron apareciendo. Para manejar los efectos leves de distorsión del tiempo debidos a la teoría de la relatividad general de Einstein, en 1976 se introdujo el Tiempo Dinámico Baricéntrico (TDB), ampliamente reemplazado en 1991 por el Tiempo Coordinado Geocéntrico (TCG) y el Tiempo Coordinado Baricéntrico (TCB); este último se refiere al centro de masa del sistema solar en lugar del de la Tierra. Se usan solo en vuelos espaciales, por lo que los aficionados pueden normalmente ignorarlos.

La guerra de los tiempos

TAI Temps Atomique International
Promedio ponderado del tiempo mantenido por aproximadamente 200 relojes atómicos en más de 50 laboratorios nacionales en todo el mundo.
TAI-UT1 fue aproximadamente 0 en 1958 1 de enero.

UTC Cordinated Universal Time
Introducido en 1972, se diferencia de TAI por una cantidad entera de segundos. Cuando es necesario, se introducen segundos intercalares para mantener la diferencia entre UTC y UT inferior a 0,9s.


UT Universal time 
Definido por la rotación de la Tierra, anteriormente determinado por observaciones astronómicas, pero hoy se utilizan satélites GPS en su lugar. Esta escala de tiempo es ligeramente irregular. Hay diferentes definiciones de UT, pero la diferencia entre ellas es siempre menos de unos 0,03s.

UT0
UT sin corregir, derivado de las observaciones del círculo meridiano o por métodos más modernos que emplean satélites GPS.

UT1
UT0 corregido por el deslizamiento polar. Generalmente, se usa como sinónimo de UT.

UT2
Hoy obsoleto, es UT1 corregido por variaciones estacionales en la velocidad de rotación de la Tierra, sumando:

  + 0,022 * sin (2 * pi * t) - 0,017 * cos (2 * pi * t)
  - 0,007 * sin (4 * pi * t) + 0,006 * cos (4 * pi * t)

segundos a UT1, donde t es la fracción del año (cero a 1 de enero).

ET Ephemeris Time
Utilizado en 1960-1983, fue reemplazado por TDT y TDBen 1984. Para la mayoría de propósitos, ET hasta 1981-12-31 y TDT desde 1984-01-01 se puedenconsiderar como una escala de tiempo continua.

TDT Terrestrial Dynamical Time
Utilizado en 1984-2000 como una escala de tiempo de efemérides desde la superficie de la Tierra. TDT = TAI + 32,184. Reemplazó a ET en 1994, y fue reemplazado a su vez por TT en 2001.

TDB Barycentric Dynamical Time
Utilizado como una escala de tiempo de efemérides referida al baricentro del sistema solar. Difiere de TDT en algunos milisegundos, como mucho.

  TDB = TT + 0,001658s ​​* sin (g) + 0,000014s * sin (2 * g)
  g = 357.53_d + 0.985 600 28_d * (JD - 245 1545.0)
  
  Con términos de orden superior despreciados y g = anomalía media de la Tierra.

TT Terrestrial Time
Utilizado originalmente en lugar de TDT o TDB cuando la diferencia entre ellos no importaba. Fue definido en 1991 como consistente con el segundo SI y la Teoría General de la Relatividad. Reemplazó a TDT en las efemérides desde 2001. TT es un ideal teórico, que no depende de ninguna realización práctica. Actualmente, se utiliza TT = TAI + 32,184s, pero se está estudiando utilizar grupos de púlsares en su lugar, que podrían tambien identificar defectos en TAI.

TCG Geocentric coordinate time
Definido en 1991 junto con TT.

TCB Barycentric coordinate time
Definido en 1991 junto con TT.

delta-T
  ET - UT antes de 1984
  TDT - UT en el periodo 1984 - 2000
  TT - UT desde 2001 en adelante

delta-UT = UT - UTC

DUT
Valor predicho de delta-UT, redondeado a 0,1s, dado en algunasseñales de tiempo por radio.


GPS Time
Tiempo GPS= TAI - 19 segundos.
El tiempo del GPS coincidió con UTC de 1980-01-01 a 1981-07-01. No se insertan segundos intercalares en el tiempo del GPS, por lo tanto el tiempo GPS va 13 segundos por delante de UTC el 2000-01-01. La época del GPS es 00:00 (medianoche) UTC en 1980-01-06. Las diferencias entre el tiempo del GPS y el tiempo atómico internacional (TAI) y Tiempo Terrestre (TT), también conocido como Tiempo Dinámico Terrestre (TDT), son constantes a nivel de algunas decenas de nanosegundos, mientras la diferencia entre el tiempo GPS y los cambios UTC en incrementos de segundos cada vez que se agrega un segundo intercalar a la escala de tiempo UTC.

Semana del GPS
una cantidad de semanas comenzando en la época del GPS 1980-01-06 00:00
      Tiempo de GPS (que en aquel entonces era igual a UTC). Las semanas están numeradas de 0 y hasta 1023, luego "retrocede" a 0 y se vuelven a numera desde 0 en adelante, etc. Un ciclo de vuelco de semana GPS es, por lo tanto, 1024 semanas = 7168 días = ca 19.62 años. Hasta ahora ha habido un tal GPS
      roll-over de la semana, en 1999-08-22 00:00 tiempo GPS - algunos GPS más viejos
      los receptores dejaron de mostrar la fecha correcta.

aaaaaaaaaa
                                                ET 1960-1983
                                                TDT 1984-2000
 UTC 1972-  GPS 1980-    TAI 1958-               TT 2001-
----+---------+-------------+-------------------------+-----
    |         |             |                         |
    |<------ TAI-UTC ------>|<-----   TT-TAI    ----->|
    |         |             |      32.184s fixed      |
    |<GPS-UTC>|<- TAI-GPS ->|                         |
    |         |  19s fixed  |                         |
    |                                                 |
    <> delta-UT = UT1-UTC                             |
     | (max 0.9 sec)                                  |
-----+------------------------------------------------+-----
     |<-------------- delta-T = TT-UT1 -------------->|
    UT1 (UT)                                       TT/TDT/ET
aaaaaaaaaaaaaaaa

Escalas de tiempo más antiguas:

GMT = Hora media de Greenwich. 
Es ambiguo, y ahora se usa (aunque no en astronomía) en el sentido de UTC además de earli

Tiempo Universal Coordinado (UTC)

UTC es una escala de tiempo atómica que se aproxima a UT1, y es el estándar internacional en el que se basa el tiempo civil. Marca SI segundos, al mismo paso que TAI. Por lo general, tiene 86,400 SI segundos por día, pero se mantiene dentro de 0,9 segundos de UT1 mediante la introducción de segundos intercalares intercalares ocasionales. A partir de 2016, estos saltos siempre han sido positivos (los días que contenían un segundo intercalar fueron de 86,401 segundos de duración). Siempre que no se requiera un nivel de precisión superior a un segundo, UTC se puede utilizar como una aproximación de UT1. La diferencia entre UT1 y UTC se conoce como DUT1. La civilización en general, no solo los astrónomos, necesita un sistema de tiempo estable y que funcione sin problemas, como el Tiempo terrestre. Pero la humanidad también está ligada al ciclo natural del día. Es decir, al movimiento del Sol aunque sea variable. ¿Qué hacer?

Parte de la solución ha sido redefinir la unidad de tiempo básica, el segundo. Un segundo ya no es exactamente 1/86.400 de un día solar medio. Desde 1967, el segundo se ha definido como cuánto tardan los átomos de cesio-133 en emitir 9.192.631.770 ciclos de cierta radiación de microondas en un reloj atómico.

Con el segundo ya no se define astronómicamente, la Tierra puede girar a su antojo sin alterar los relojes del mundo. Pero hay un precio a pagar. Un día ya no tiene 24 horas. En la actualidad hay alrededor de 24,0000003 horas en un día normal...

Para mantener nuestros relojes sincronizados con el giro de la Tierra, se inserta un segundo intercalar en el Tiempo Universal cuando sea necesario, aproximadamente una vez al año en promedio. Se puede agregar un segundo intercalar al final del 30 de junio o el 31 de diciembre UT, dando al último minuto del día elegido 61 segundos.

El resultado es Tiempo Universal Coordinado o UTC, el sistema por el cual se configuran todos los relojes del mundo. UTC es la base para todas las transmisiones de radio con señal de tiempo y otros servicios de tiempo. En círculos no astronómicos, a veces se denomina hora mundial, hora Z, Zulú o incluso Tiempo medio de Greenwich (GMT).

Pero los ocasionales saltos de segundo en UTC no llegan a afectar, por supuesto, a la Tierra, los planetas y las estrellas. Las predicciones de almanaque dadas en UT se encuentran en realidad el  sistema  UT1, que siempre está dentro de 0,9 segundos de UTC. Por lo tanto, al especificar UT para una precisión superior a un segundo, debes indicar si te refieres a UTC o UT1 a menos que esto sea obvio por el contexto, como si la hora provine de la señal de una estación de radio.

«Tiempo medio de Greenwich» solía significar UT1, hasta que su significado popular se desplazó para significar UTC en su lugar. Sumándose a la confusión, en sus orígenes, GMT comenzaba el día al mediodía, no a la medianoche. Por todo ello, los astrónomos intentan evitar el término Tiempo medio de Greenwich por completo.



Adaptación del artículo Time in the sky and the amateur astronomer, de Alan MacRobert para la revista Sky & Telescope, 2006, y diversas fuentes.